物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)——傳感器技術(shù)

　　隨著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近20年來(lái)，電子技術(shù)日新月異，計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用把人類帶到了信息時(shí)代，各種電器設(shè)備充滿了人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，相當(dāng)大一部分的電器設(shè)備都應(yīng)用到了傳感器件，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)中主要技術(shù)之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占據(jù)有極其重要的地位。

　　人是通過(guò)視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等感官來(lái)感知外界的信息，感知的信息輸入大腦進(jìn)行分析判斷（即人的思維）和處理，再指揮人作出相應(yīng)的動(dòng)作，這是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界具有的最基本的本能。但是通過(guò)人的五官感知外界的信息非常有限，例如，人總不能利用觸覺(jué)來(lái)感知超過(guò)幾十甚至上千度的溫度吧，而且也不可能辨別溫度的微小變化，這就需要電子設(shè)備的幫助。同樣，利用電子儀器特別象計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化裝置來(lái)代替人的勞動(dòng)，那么計(jì)算機(jī)類似于人的大腦，而僅有大腦而沒(méi)有感知外界信息的“五官”顯然是不足夠的，中央處理系統(tǒng)也還需要它們的“五官”——即傳感器。

　　人的五管是功能非常復(fù)雜、靈敏的“傳感器”，例如人的觸覺(jué)是相當(dāng)靈敏的，它可以感知外界物體的溫度、硬度、輕重及外力的大小，還可以具有電子設(shè)備所不具備的“手感”，例如棉織物的手感，液體的粘稠感等。然而人的五官感覺(jué)大多只能對(duì)外界的信息作“定性”感知，而不能作定量感知。而且有許多物理量人的五官是感覺(jué)不到的，例如對(duì)磁性就不能感知。視覺(jué)可以感知可見(jiàn)光部分，對(duì)于頻域更加寬的非可見(jiàn)光譜則無(wú)法感覺(jué)得到，象紅外線和紫外線光譜，人類卻是“視而不見(jiàn)”。借助溫度傳感器很容易感知到幾百度到幾千度的溫度，而且要做到1℃的分辨率輕而易舉。同樣借助紅外和紫外線傳感器，便可感知到這些不可見(jiàn)光，所以人類才制造出了具有廣泛用途的紅外夜視儀和X光診斷設(shè)備，這些技術(shù)在軍事、國(guó)防及醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域有著極其重要的作用。

　　在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工廠的自動(dòng)流水生產(chǎn)線，全自動(dòng)加工設(shè)備，許多智能化的檢測(cè)儀器設(shè)備，都大量地采用了各種各樣的傳感器，它們?cè)诤侠砘剡M(jìn)行生產(chǎn)，減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免有害的作業(yè)發(fā)揮了巨大的作用。在家用電器領(lǐng)域，象全自動(dòng)洗衣機(jī)、電飯褒和微波爐都離不開(kāi)傳感器。醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，電子脈博儀、體溫計(jì)、醫(yī)用呼吸機(jī)、超聲波診斷儀、斷層掃描（CT）及核磁共振診斷設(shè)備，都大量地使用了各種各樣的傳感技術(shù)。這些對(duì)改善人們的生活水平，提高生活質(zhì)量和健康水平起到了重要的作用。在軍事國(guó)防領(lǐng)域，各種偵測(cè)設(shè)備，紅外夜視探測(cè)，雷達(dá)跟蹤、武器的精確制導(dǎo)，沒(méi)有傳感器是難以實(shí)現(xiàn)的。在航空航天領(lǐng)域，空中管制、導(dǎo)航、飛機(jī)的飛行管理和自動(dòng)駕駛，儀表著陸盲降系統(tǒng)，都需要傳感器。人造衛(wèi)星的遙感遙測(cè)都與傳感器緊密相關(guān)。沒(méi)有傳感器，要實(shí)現(xiàn)這樣的功能那是不可能的。

　　此外，在礦產(chǎn)資源、海洋開(kāi)發(fā)、生命科學(xué)、生物工程等領(lǐng)域傳感器都有著廣泛的用途，傳感器技術(shù)已受到各國(guó)的高度重視，并已發(fā)展成為一種專門(mén)的技術(shù)學(xué)科。

　　傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，它與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集手段，也是采用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要方法，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益、科學(xué)研究與生產(chǎn)技術(shù)的水平有著舉足輕重的作用。傳感器技術(shù)水平高低不但直接影響信息技術(shù)水平，而且還影響信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。目前，傳感器技術(shù)已滲透到科學(xué)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究及改善人民生活等方面，起著越來(lái)越大的作用。許多尖端科學(xué)和新興技術(shù)更是需要新型傳感器技術(shù)來(lái)裝備，計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用，離不開(kāi)傳感器，新型傳感器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，不但使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了嶄新時(shí)代，也為傳感器技術(shù)展現(xiàn)了一個(gè)更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。

　　傳感器產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)分析

　　傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，其水平高低是衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。傳感器產(chǎn)業(yè)也是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，它以其技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世人矚目。

　　改革開(kāi)放20多年來(lái)，我國(guó)的傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，主要表現(xiàn)在：一是建立了“傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“微米/納米國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“國(guó)家傳感技術(shù)工程中心”等研究開(kāi)發(fā)基地；二是MEMS、MOEMS等研究項(xiàng)目列入了國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)；三是在“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目中，傳感器技術(shù)研究取得了51個(gè)品種86個(gè)規(guī)格的新產(chǎn)品；四是初步建立了敏感元件與傳感器產(chǎn)業(yè)，2000年總產(chǎn)量超過(guò)13億只，品種規(guī)格已有近6000種，并已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)和國(guó)防建設(shè)中得到一定應(yīng)用；五是全國(guó)已有1688家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，其中從事MEMS研制生產(chǎn)的已有50多家。目前全行業(yè)正在執(zhí)行“十五”計(jì)劃，MEMS等5項(xiàng)新型傳感器已列入研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

　　2004年上半年，產(chǎn)品產(chǎn)銷量繼續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到“十五”期末，敏感元器件與傳感器年總產(chǎn)量可望達(dá)到20億只，銷售總額將達(dá)約120億元，從而初步形成儀器儀表行業(yè)中的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

　　特點(diǎn)：兩依附，兩密集，兩分散

　　傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)是：基礎(chǔ)、應(yīng)用兩頭依附；技術(shù)、投資兩個(gè)密集；產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)兩大分散。

　　基礎(chǔ)、應(yīng)用兩頭依附

　　基礎(chǔ)依附是指?jìng)鞲衅骷夹g(shù)的發(fā)展依附于敏感機(jī)理、敏感材料、工藝設(shè)備和計(jì)測(cè)技術(shù)這四塊基石。敏感機(jī)理千差萬(wàn)別，敏感材料多種多樣，工藝設(shè)備各不相同，計(jì)測(cè)技術(shù)大相徑庭，沒(méi)有上述四塊基石的支持，傳感器技術(shù)難以為繼。

　　應(yīng)用依附是指?jìng)鞲衅骷夹g(shù)基本上屬于應(yīng)用技術(shù)，其開(kāi)發(fā)多依賴于制成檢測(cè)裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)加以應(yīng)用，才能真正體現(xiàn)出它的高附加效益并形成現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)。也即發(fā)展傳感器技術(shù)要以市場(chǎng)為導(dǎo)向，實(shí)行需求牽引。

　　技術(shù)、投資兩個(gè)密集

　　技術(shù)密集是指?jìng)鞲衅髟谘兄坪椭圃爝^(guò)程中技術(shù)的多樣性、邊緣性、綜合性和技藝性。它是多種高技術(shù)的集合產(chǎn)物。由于技術(shù)密集也自然要求人才密集。投資密集是指研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)某一種傳感器產(chǎn)品要求一定的投資強(qiáng)度，尤其是在工程化研究以及建立規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)線時(shí)，更要求較大的投資。

　　產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)兩大分散

　　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的兩大分散是指?jìng)鞲衅鳟a(chǎn)品門(mén)類品種繁多(共10大類、42小類近6000個(gè)品種)，其應(yīng)用滲透到各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門(mén)，它的發(fā)展既有各產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力，又強(qiáng)烈地依賴于各產(chǎn)業(yè)的支撐作用。只有按照市場(chǎng)需求，不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)傳感器產(chǎn)業(yè)的全面、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展。

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　　面臨新挑戰(zhàn)和新機(jī)遇

　　傳感器產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)來(lái)源于人類社會(huì)迫切要求改變信息攝取的落后現(xiàn)狀。傳感技術(shù)的落后已成為影響自動(dòng)化業(yè)發(fā)展的瓶頸。

　　我國(guó)眾多自動(dòng)化方面的專家呼吁：目前復(fù)雜系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，自動(dòng)化已經(jīng)陷入低谷，其主要原因之一是傳感技術(shù)的落后，一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后；另一方面也表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面的技術(shù)落后。

　　另外，分析儀器產(chǎn)業(yè)迫切需要新型傳感器。分析儀器是我國(guó)科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，無(wú)論在工業(yè)過(guò)程控制、設(shè)施農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境控制、食品安全乃至航空航天、國(guó)防工程等領(lǐng)域，均迫切需要各類新型傳感器作為信息攝取源的小型化、專用化、簡(jiǎn)用化、家庭化(甚至個(gè)人化)的新一代分析儀器，實(shí)現(xiàn)更靈敏、更準(zhǔn)確、更快速、更可靠地實(shí)時(shí)檢測(cè)，以迅速改變我國(guó)分析儀器的落后狀況。

　　而技術(shù)推動(dòng)是加速傳感器技術(shù)發(fā)展的保證和機(jī)遇。幾十年來(lái)，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)，促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。未來(lái)10～20年，傳統(tǒng)硅技術(shù)將進(jìn)入成熟期(預(yù)測(cè)為2014年～2017年)。屆時(shí)，φ300mm硅晶片將大量用于生產(chǎn)，使得硅的低成本制造技術(shù)和硅的應(yīng)用技術(shù)將得到空前的發(fā)展，這無(wú)疑將為研制生產(chǎn)微型傳感器、智能傳感器等新型傳感器提供技術(shù)保障。從總體發(fā)展看，傳統(tǒng)硅技術(shù)將一直延續(xù)到2047年(即晶體管發(fā)明100周年)才趨于飽和(即達(dá)到芯片特征尺寸的極限)和衰退。而當(dāng)前微電子技術(shù)仍將依循“等縮比原理”和“摩爾定律”兩條基礎(chǔ)規(guī)律走下去，在盡力逼近傳統(tǒng)硅技術(shù)極限中，不斷擴(kuò)展硅的跨學(xué)科橫向應(yīng)用(如MEMS等)和突破“非穩(wěn)態(tài)物理器件”(量子、分子器件)，而上述微電子技術(shù)發(fā)展中的兩大方向正是當(dāng)前乃至未來(lái)20年傳感器技術(shù)的主要發(fā)展方向。

　　同時(shí)，多學(xué)科、多種高新技術(shù)的交叉融合，推動(dòng)了新一代傳感器的誕生與發(fā)展。例如：當(dāng)前我國(guó)正在重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的MEMS(微電子與微機(jī)械的結(jié)合)、MOMES(MEMS與微光學(xué)的結(jié)合)、智能傳感器(MEMS與CPU、信息控制技術(shù)的結(jié)合)、生物化學(xué)傳感器(MEMS與生物技術(shù)、電化學(xué)的結(jié)合)等以及今后將大力開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化傳感器(MEMS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合)、納米傳感器(納米技術(shù)與傳感技術(shù)的結(jié)合)均是多學(xué)科、多種學(xué)科技術(shù)交叉融合的新一代傳感器。

　　呈現(xiàn)八大發(fā)展趨勢(shì)

　　一、傳感器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式：要加速形成從傳感器研究開(kāi)發(fā)到大生產(chǎn)一條龍的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，走自主創(chuàng)新和國(guó)際合作相結(jié)合的跨越式發(fā)展道路，使我國(guó)成為世界傳感器的生產(chǎn)大國(guó)。

　　二、傳感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向全面、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展。產(chǎn)品品種要向高技術(shù)、高附加值傾斜，尤其要填補(bǔ)“空白”品種。

　　三、企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模(年生產(chǎn)能力)向規(guī)模經(jīng)濟(jì)或適宜規(guī)模經(jīng)濟(jì)發(fā)展。量大面廣的通用傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年億只計(jì)，一些中檔傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn)1000萬(wàn)只(含以上)計(jì)；而一些高檔傳感器和專用傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn)幾十萬(wàn)只～幾百萬(wàn)只計(jì)。

　　四、生產(chǎn)格局向?qū)I(yè)化發(fā)展。專業(yè)化生產(chǎn)的內(nèi)涵為：1.生產(chǎn)傳感器門(mén)類少而精；2.專門(mén)生產(chǎn)某一應(yīng)用領(lǐng)域需要的某一類傳感器系列產(chǎn)品，以獲得較高的市場(chǎng)占有率；3.各傳感器企業(yè)的專業(yè)化合作生產(chǎn)。

　　五、傳感器大生產(chǎn)技術(shù)向自動(dòng)化發(fā)展。傳感器的門(mén)類、品種繁多，所用的敏感材料各異，決定了傳感器制造技術(shù)的多樣性和復(fù)雜性。綜觀當(dāng)前傳感器工藝線的概況，多數(shù)工藝已實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化，但距離生產(chǎn)過(guò)程全自動(dòng)化尚存在諸多困難，有待今后廣泛采用CAD、CAM及先進(jìn)的自動(dòng)化裝備和工業(yè)機(jī)器人，予以突破。

　　六、企業(yè)的重點(diǎn)技術(shù)改造應(yīng)加強(qiáng)從依賴引進(jìn)技術(shù)向引進(jìn)技術(shù)的消化吸收與自主創(chuàng)新的方向轉(zhuǎn)移。

　　七、企業(yè)經(jīng)營(yíng)要加快從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)為主向國(guó)內(nèi)與國(guó)外兩個(gè)市場(chǎng)相結(jié)合的國(guó)際化方向跨越發(fā)展。

　　八、企業(yè)結(jié)構(gòu)將向“大、中、小并舉”、“集團(tuán)化、專業(yè)化生產(chǎn)共存”的格局發(fā)展。